TWI821028B - 半導體製造裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之實施形態提供一種可使非晶矽適當單晶化之半導體製造方法及半導體製造裝置。 實施形態之半導體製造方法包含以胺基矽烷系之第1氣體於基底層上形成第1晶種層。上述方法進而包含以不含胺基之矽烷系之第2氣體於第1晶種層上形成第1非晶矽層。上述方法進而包含以胺基矽烷系之第3氣體於第1非晶矽層上形成含有雜質之第2晶種層。上述方法進而包含以不含胺基之矽烷系之第4氣體於第2晶種層上形成第2非晶矽層。

Description

半導體製造裝置
本實施形態係關於一種半導體製造方法及半導體製造裝置。
於半導體記憶裝置之製造中，藉由MILC(Metal-induced Lateral Crystalization：金屬誘發橫向結晶化)法使記憶體孔內之非晶矽單晶化時，有時會因發生非晶矽之多晶化而阻礙單晶化。
本發明所欲解決之問題在於提供一種可使非晶矽適當單晶化之半導體製造方法及半導體製造裝置。
實施形態之半導體製造方法包含以胺基矽烷系之第1氣體於基底層上形成第1晶種層。上述方法進而包含以不含胺基之矽烷系之第2氣體於第1晶種層上形成第1非晶矽層。上述方法進而包含以胺基矽烷系之第3氣體於第1非晶矽層上形成含有雜質之第2晶種層。上述方法進而包含以不含胺基之矽烷系之第4氣體於第2晶種層上形成第2非晶矽層。
以下，參照圖式說明本發明之實施形態。於圖1至圖13中，對相同或類似之構成附注相同符號，省略重複之說明。
(第1實施形態) 圖1係顯示第1實施形態之半導體製造裝置1之圖。如圖1所示，第1實施形態之半導體裝置1具備處理室2、晶舟3、第1氣體供給管4、第2氣體供給管5、外罩構件6、加熱裝置7、氣體供給控制部8、加熱控制部9、泵10、及壓力控制部11。
處理室2為可收納複數枚半導體基板100之中空構造體。處理室2中，設置有將處理半導體基板100後之排氣排出之排氣口21。例如，排氣口21由於鉛直方向延伸之長孔構成，又，與鉛直方向正交之方向之排氣口21之寬度固定。
晶舟3配置於處理室2內。晶舟3具有於鉛直方向延伸之支柱31，支柱31中，於鉛直方向空出間隔設置有複數個水平之槽(未圖示)。藉由將半導體基板100插入至各槽內，晶舟3可將複數枚半導體基板100於鉛直方向(即，半導體基板100之厚度方向)空出間隔以積層狀態保持。
第1氣體供給管4配置於處理室2內。第1氣體供給管4為對半導體基板100供給胺基矽烷系之第1氣體G1之管。具體而言，第1氣體供給管4以自側面面向晶舟3之方式於鉛直方向延伸。第1氣體供給管4中，設置有向保持於晶舟3之複數枚半導體基板100噴出第1氣體G1之複數個第1噴出口41。複數個第1噴出口41與複數枚半導體基板100以一對一之位置關係設置。例如，第1噴出口41設置與晶舟3所保持之半導體基板100相同數量，對應之第1噴出口41與半導體基板100於鉛直方向之位置即高度大體一致。各第1噴出口41例如具有固定之剖面積。藉由與半導體基板100以一對一之位置關係設置第1噴出口41，可使稍後敘述之第1晶種層108及第2晶種層110之厚度於複數個半導體基板100之間均勻化。另，於圖1所示之例中，第1氣體供給管4之數量為1個，但亦可將複數個第1氣體供給管4配置於處理室2內。
作為胺基矽烷系之第1氣體G1，例如可適當使用含有選自由丁基胺基矽烷、雙(三級丁基胺基)矽烷、二甲基胺基矽烷、雙(二甲基胺基)矽烷、三(二甲胺基)矽烷、二乙基胺基矽烷、雙(二乙基胺基)矽烷、二丙基胺基矽烷、及二異丙基胺基矽烷所組成之群中之至少1種胺基矽烷之氣體。
第2氣體供給管5配置於處理室2內。第2氣體供給管5為對半導體基板100供給不含胺基之矽烷系之第2氣體G2之管。具體而言，第2氣體供給管5以自側面面向晶舟3之方式於鉛直方向延伸。第2氣體供給管5中，設置有向保持於晶舟3之複數枚半導體基板100噴出不含胺基之矽烷系之第2氣體G2之複數個第2噴出口51。各第2噴出口51例如具有固定之剖面積。另，於圖1所示之例中，第2氣體供給管5之數量為1個，但亦可將複數個第2氣體供給管5配置於處理室2內。
作為不含胺基之矽烷系之第2氣體G2，例如可適當使用含有選自由以SiH 2､SiH 4､SiH 6､Si 2H 4､Si 2H 6､Si mH 2m+2(其中，m為3以上之自然數)式所表示之矽之氫化物、及以Si nH 2n(其中，n為3以上之自然數)式所表示之矽之氫化物所組成之群中之至少1種矽烷之氣體。
外罩構件6以覆蓋處理室2之方式配置於處理室2之外側。外罩構件6設置有排氣口61。自處理室2之排氣口21排出之排氣自排氣口61排出至外部。
加熱裝置7以包圍外罩構件6之方式配置於外罩構件6之外側。加熱裝置7藉由自外罩構件6之外側加熱處理室2，而將供給至處理室2之氣體G1、G2活性化且加熱半導體基板100。
氣體供給控制部8控制第1氣體供給管4對第1氣體G1之供給。具體而言，氣體供給控制部8控制第1氣體G1有無自第1氣體G1之氣體源流入至第1氣體供給管4及流量。又，氣體供給控制部8控制第2氣體供給管5對第2氣體G2之供給。具體而言，氣體供給控制部8控制第2氣體G2有無自第2氣體G2之氣體源流入至第2氣體供給管5及流量。氣體供給控制部8例如亦可具備質流控制器及電磁閥等。
加熱控制部9藉由控制加熱裝置7之加熱而控制處理室2內之溫度即半導體基板100之處理溫度。
泵10相對於排氣口61配置於氣體之下游側。泵10藉由將處理室2內排氣而自處理室2排出處理半導體基板100後之排氣。
壓力控制部11藉由控制泵10之排氣而控制處理室2內之壓力即半導體基板100之處理壓力。
接著，對應用如上構成之半導體裝置1之第1實施形態之半導體製造方法進行說明。
圖2係顯示第1實施形態之半導體製造方法之流程圖。圖3係顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。
第1實施形態之半導體製造方法具有利用依照圖2之流程圖之熱處理之成膜步驟。至少圖2之成膜步驟由上述之半導體製造裝置1實施。然而，作為圖2之初始狀態，於半導體基板100，藉由圖2之前步驟形成有圖3所示之構造。如圖3所示，於圖2之初始狀態下，半導體基板100於矽基板101之上方，具有積層體104與記憶體膜120。積層體104為將例如由氧化矽膜構成之絕緣層102、與例如由氮化矽膜構成之犧牲層103交替積層之構造。記憶體膜120沿著於積層方向貫通積層體104之記憶體孔MH之側壁設置。記憶體膜120自外側(即記憶體孔MH之側壁側)起依序具有阻擋絕緣層105、電荷存儲層106、及隧道絕緣層107。阻擋絕緣層105及隧道絕緣層107例如由氧化矽膜構成。電荷存儲層106例如由氮化矽膜構成。
圖4係接著圖3顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。自圖3所示之初始狀態開始，如圖2所示，一面加熱半導體基板100一面對半導體基板100供給胺基矽烷系之第1氣體G1。此時，較佳為加熱控制部9將處理室2內之溫度控制為325℃以上450℃以下。又，較佳為壓力控制部11將處理室2內之壓力控制為27 Pa以上1000 Pa以下。較佳為成膜溫度越低，壓力越高之條件。藉由一面加熱半導體基板100一面對半導體基板100供給第1氣體G1，而如圖4所示，於隧道絕緣層107上(即隧道絕緣層107之內側)形成第1晶種層108。第1晶種層108係使作為基底之隧道絕緣層107上均勻地產生矽核，而容易吸附甲矽烷之層。另，形成第1晶種層108時，亦可進而使用不含胺基之矽烷系氣體(例如Si 2H 6)。
圖5係接著圖4顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。形成第1晶種層108後，如圖2所示，一面加熱半導體基板100一面對半導體基板100供給不含胺基之矽烷系之第2氣體G2。此時，較佳為加熱控制部9將處理室2內之溫度控制得較形成第1晶種層108時高。更佳為處理室2內之溫度為450℃以上550℃以下。處理室2內之壓力可為與形成第1晶種層108時相同程度。藉由一面加熱半導體基板100一面對半導體基板100供給第2氣體G2，如圖5所示，於第1晶種層108上(即第1晶種層108之內側)形成第1非晶矽層109。
圖6係接著圖5顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。形成第1非晶矽層109後，如圖2所示，一面加熱半導體基板100一面對半導體基板100供給第1氣體G1。此時，較佳為加熱控制部9將處理室2內之溫度控制得較形成第1非晶矽層109時低。更佳為處理室2內之溫度為325℃以上450℃以下。藉由一面加熱半導體基板100一面對半導體基板100供給第1氣體G1，如圖6所示，於第1非晶矽層109上(即第1非晶矽層109之內側)形成第2晶種層110。第2晶種層110係使作為基底之第1非晶矽層109上均勻地產生矽核，而容易吸附甲矽烷之層。與以隧道絕緣層107為基底之第1晶種層108不同，第2晶種層110以第1非晶矽層109為基底。藉此，第2晶種層110可含有作為雜質之C(碳)及N(氮)。C及N之劑量較佳為10 13atms/cm 2。藉由設置第2晶種層110，可抑制於實施稍後敘述之MILC法時產生非晶矽層之多晶化。
圖7係接著圖6顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。形成第2晶種層110後，如圖2所示，一面加熱半導體基板100一面對半導體基板100供給第2氣體G2。此時，較佳為加熱控制部9將處理室2內之溫度控制得較形成第2晶種層110時高。更佳為處理室2內之溫度為450℃以上550℃以下。藉由一面加熱半導體基板100一面對半導體基板100供給第2氣體G2，如圖7所示，於第2晶種層110上(即第2晶種層110之內側)形成第2非晶矽層111。以下，亦將第1晶種層108、第1非晶矽層109、第2晶種層110及第2非晶矽層111之積層構造稱為非晶矽層108～111。
圖8係接著圖7顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。形成第2非晶矽層111後，如圖8所示，以位於記憶體孔MH之中央之方式，於第2非晶矽層111上，例如藉由ALD(Atomic Layer Deposition：原子層沈積)法或CVD(Chemical Vapor Deposition：化學汽相沈積)法形成核心層112。核心層112例如包含氧化矽膜。核心層112之形成於非晶矽層108～111不會多晶化之成膜溫度下實施。
圖9係接著圖8顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。形成核心層112後，藉由MILC法，實施非晶矽層108～111之單晶化。即，首先如圖9所示，藉由離子注入法將例如n型雜質(P、As、B等)摻雜至非晶矽層108～111，藉此於非晶矽層108～111之上端形成摻雜非晶矽層113。
圖10係接著圖9顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。形成摻雜非晶矽層113後，如圖10所示，例如藉由PVD(Physical Vapor Deposition：物理汽相沈積)法或MO(Metal Organic：金屬有機物)-CVD法，以覆蓋半導體基板100整面之方式形成金屬層114。金屬層114含有鎳。另，金屬層114只要為可形成矽化物之元素即可，亦可為Co或Y等。形成金屬層114後，藉由對金屬層114及非晶矽層108～111實施矽化物退火，而於非晶矽層108～111之上端側形成二矽化鎳層115。
圖11係接著圖10顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。形成二矽化鎳層115後，將非晶矽層108～111及二矽化鎳層115以非晶矽層108～111不會多晶化之成膜溫度加熱。藉此，如圖11所示，隨著向二矽化鎳層115之下方遷移，進行以二矽化鎳層115為催化劑之非晶矽層108～111之單晶116化。此時，由第2晶種層110之雜質(C、N)，抑制非晶矽層108～111之多晶化。藉由抑制非晶矽層108～111之多晶化，可抑制二矽化鎳層115之遷移受多晶阻礙。
如以上說明，根據第1實施形態，藉由於第1非晶矽層109與第2非晶矽層111之間形成含有雜質之第2晶種層110，可使非晶矽層108～111適當單晶化。
又，藉由將相同之第1氣體G1用於第1晶種層108之形成與第2晶種層110之形成，可簡化半導體製造裝置1之構成及製程。然而，亦可使用較第1氣體G1更容易含有雜質之胺基矽烷系氣體來形成第2晶種層110。該情形時，可更有效地抑制非晶矽層108～111之多晶化，使非晶矽層108～111更適當地單晶化。
(第2實施形態) 圖12係顯示第2實施形態之半導體製造裝置1之圖。目前為止，已對排氣口21之寬度固定之半導體製造裝置1之例進行說明。與此相對，如圖12所示，於第2實施形態中，排氣口21之剖面積中，靠近第1噴出口41之第1部分21a(即高度與第1噴出口41一致之部分)較距第1噴出口41較遠之第2部分21b(即高度與第1噴出口41不一致之部分)大。圖12所示之例中，第1部分21a為圓形。第1部分21a亦可為矩形等多邊形。根據第2實施形態，可提高排氣之排出效率。
(第3實施形態) 圖13係顯示第3實施形態之半導體製造裝置1之圖。目前為止，已對複數個第1噴出口41之剖面積固定之半導體製造裝置1之例進行說明。與此相對，於第3實施形態中，複數個第1噴出口41中處於胺基矽烷系氣體之下游側(圖13中之上側)之第1噴出口41與處於胺基矽烷系氣體之上游側(圖13中之下側)之第1噴出口41相比，剖面積大。藉此，可將第1氣體G1向複數枚半導體基板100之供給壓力均勻化，因此可於複數枚半導體基板100之間，使第1晶種層108及第2晶種層110之厚度均勻化。
又，於第3實施形態中，亦可為排氣口21之剖面積中，靠近胺基矽烷系氣體之下游側之噴出口41之部分較靠近胺基矽烷系氣體之上游側之噴出口41之部分大。藉此可提高排氣之排出效率。
以上，雖已對若干實施形態進行說明，但該等實施形態係僅作為例而提示者，並非意圖限定發明之範圍。本說明書中說明之新穎之裝置法可以其他各種形態實施。又，對於本說明書中說明之裝置及方法之形態，可於不脫離發明主旨之範圍內，進行各種省略、置換、變更。隨附之申請專利範圍及與之均等之範圍旨在包含發明範圍或主旨中所含之此種形態或變化例。
相關申請案 本申請案享受以日本專利申請案2021-044822號(申請日：2021年3月18日)為基礎申請案之優先權。本申請案藉由參考該基礎申請案而包含基礎申請案之所有內容。
1:半導體製造裝置 2:處理室 3:晶舟 4:第1氣體供給管 5:第2氣體供給管 6:外罩構件 7:加熱裝置 8:氣體供給控制部 9:加熱控制部 10:泵 11:壓力控制部 21:排氣口 21a:第1部分 21b:第2部分 31:支柱 41:第1噴出口 51:第2噴出口 61:排氣口 100:半導體基板 101:矽基板 102:絕緣層 103:犧牲層 104:積層體 105:阻擋絕緣層 106:電荷存儲層 107:隧道絕緣層 108:第1晶種層 109:第1非晶矽層 110:第2晶種層 111:第2非晶矽層 112:核心層 113:摻雜非晶矽層 114:金屬層 115:二矽化鎳層 116:單晶 120:記憶體膜 G1:第1氣體 G2:第2氣體 MH:記憶體孔 S1～S4:步驟
圖1係顯示第1實施形態之半導體製造裝置之圖。 圖2係顯示第1實施形態之半導體製造方法之流程圖。 圖3係顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖4係接著圖3顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖5係接著圖4顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖6係接著圖5顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖7係接著圖6顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖8係接著圖7顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖9係接著圖8顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖10係接著圖9顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖11係接著圖10顯示第1實施形態之半導體製造方法之剖視圖。 圖12係顯示第2實施形態之半導體製造裝置之圖。 圖13係顯示第3實施形態之半導體製造裝置之圖。
S1~S4:步驟

Claims (6)

  1. 一種半導體製造裝置，其具備： 處理室，其可收納複數枚處理對象基板； 保持部，其配置於上述處理室內，可於厚度方向上空出間隔保持上述複數枚處理對象基板；及 氣體供給管，其配置於上述處理室內，設置有向保持於上述保持部之上述複數枚處理對象基板噴出胺基矽烷系氣體之複數個噴出口；且 上述複數個噴出口與上述複數枚處理對象基板以一對一之位置關係設置。
  2. 如請求項1之半導體製造裝置，其中上述處理室沿著上述厚度方向設置有處理上述處理對象基板後之氣體之排氣口， 上述排氣口之剖面積中靠近上述噴出口之部分較距上述噴出口較遠之部分大。
  3. 如請求項1之半導體製造裝置，其中上述複數個噴出口中，上述胺基矽烷系氣體之下游側之噴出口與上述胺基矽烷系氣體之上游側之噴出口相比，剖面積較大。
  4. 如請求項2之半導體製造裝置，其中上述複數個噴出口中，上述胺基矽烷系氣體之下游側之噴出口與上述胺基矽烷系氣體之上游側之噴出口相比，剖面積較大， 上述排氣口之剖面積中，靠近上述胺基矽烷系氣體之下游側之噴出口之部分較靠近上述胺基矽烷系氣體之上游側之噴出口之部分大。
  5. 如請求項1之半導體製造裝置，其進而具備：第2氣體供給管，其配置於上述處理室內，設置有向保持於上述保持部之上述複數枚處理對象基板噴出不含胺基之矽烷系氣體之複數個第2噴出口。
  6. 如請求項5之半導體製造裝置，其進而具備： 控制部，其控制上述胺基矽烷系氣體及上述不含胺基之矽烷系氣體向上述處理對象基板之供給；且 上述控制部 以於設置於上述處理對象基板之基底層上形成第1晶種層之方式，控制上述胺基矽烷系氣體向上述處理對象基板之供給， 以於上述第1晶種層上形成第1非晶矽層之方式，控制上述不含胺基之矽烷系氣體向上述處理對象基板之供給， 以於上述第1非晶矽層上形成含有雜質之第2晶種層之方式，控制上述胺基矽烷系氣體向上述處理對象基板之供給， 以於上述第2晶種層上形成第2非晶矽層之方式，控制上述不含胺基之矽烷系氣體向上述處理對象基板之供給。
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